安鈞鴻講解量子電池原理

量子電池想象圖

“未來電池什么樣,？”“量子電池！”

盡管“量子電池”這一名詞大多數(shù)人還聞所未聞，但科學(xué)家們已經(jīng)在探索的路上,。蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院安鈞鴻教授及其合作者提出的抗老化遠(yuǎn)距離充電量子電池方案,，或許會成為未來電池變革的關(guān)鍵一環(huán)。近期,，這一研究成果以“Remote charging and degradation suppression for quantum battery（遠(yuǎn)程充電與老化抑制量子電池）”為題,，發(fā)表在物理學(xué)期刊《物理評論快報》上，引起了學(xué)界和媒體的高度關(guān)注,。

量子電池或會突破經(jīng)典電池極限

從1799年意大利物理學(xué)家伏特制成世界上第一個電池“伏特電堆”起,，過去的200多年間，電池都是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置,。

“隨著能源需求日益增長,，人們期待具有更小尺寸、更高電容,、可更快充電和更大可提取功的電池出現(xiàn),。”安鈞鴻主要從事量子光學(xué),、量子信息及非平衡量子統(tǒng)計動力學(xué)研究,，問及做量子電池研究的初衷，他告訴記者,，希望以量子物理特有的效應(yīng),，以微觀系統(tǒng)自下而上地像搭積木一樣的制備工藝，來突破目前經(jīng)典電池的性能極限,。量子電池已成為以“調(diào)控量子態(tài),，實現(xiàn)新功能，發(fā)展新技術(shù)”為主旨的量子科技的主要應(yīng)用之一,。

與此同時,，電化學(xué)反應(yīng)機(jī)制下的電池，過去常有充電過程中起火的事件見諸報端,，從而引發(fā)環(huán)境問題,。“量子電池不需要訴諸電化學(xué)反應(yīng),，它是通過原子的激發(fā)狀態(tài)來儲存能量,，也即能量存儲在原子中電子的激發(fā)態(tài)，所以量子電池綠色無污染,、可持續(xù)使用,，非常安全?！保ㄗⅲ涸幽芰繝顟B(tài)包括基態(tài)和激發(fā)態(tài),?；鶓B(tài)是指原子處于最低能量狀態(tài)，此時原子的電子處于基態(tài)能級上,，原子沒有吸收任何能量,；而激發(fā)態(tài)則是指當(dāng)原子吸收能量而達(dá)到的狀態(tài)，此時原子的電子躍遷到更高的能級上,，與其他原子或分子發(fā)生作用會返回基態(tài)能級,。）

此前研究面臨兩大挑戰(zhàn)

“量子電池尚處于基礎(chǔ)研究階段，目前還不能解決行業(yè),、產(chǎn)業(yè)面臨的問題,，還僅是科學(xué)前沿研究，為未來的電池提供一種可能的解決辦法,?！卑测x鴻說。

在安鈞鴻等人提出抗老化,、遠(yuǎn)距離充電量子電池方案之前,，量子電池研究在快速發(fā)展，但是距離實現(xiàn)和應(yīng)用仍面臨兩大挑戰(zhàn)：首先是量子電池的老化,。“量子效應(yīng)非常脆弱,，若受環(huán)境影響,，量子效應(yīng)極易喪失?！卑测x鴻解釋說,，量子電池能量儲存于原子中電子的激發(fā)態(tài)，但激發(fā)態(tài)持續(xù)時間極其短暫,，背景環(huán)境影響之后,，會自發(fā)向外輻射電磁波。這在量子力學(xué)中被叫作量子退相干,，會導(dǎo)致量子電池因喪失能量而老化,。

其次是量子電池充電效率降低。現(xiàn)在普遍采用量子充電器和量子電池之間的相互作用,，將充電器中的能量傳遞給電池來充電,。不過，這種相互作用是原子之間的相互作用,，作用距離僅為10的-10次方米（即1埃米,，等于1/10納米）的量級，超出這個距離則相互作用變得極其微弱,，導(dǎo)致充電效率低下,。

實現(xiàn)量子電池遠(yuǎn)距離“類無線”充電

為了同時克服前述兩大挑戰(zhàn),，安鈞鴻與他在湖北大學(xué)、中國科學(xué)院精密測量院的合作者們提出了一種新型的量子電池方案,。

與普遍采用的方案不同,，此方案采用了一種非接觸式的遠(yuǎn)距離“類無線”充電。它是在一個真空的矩形中空金屬波導(dǎo)管（可導(dǎo)引電磁波）中,，放入分別作為量子充電器和量子電池的兩個原子,。充電時，充電器中處于激發(fā)態(tài)的電子將“掉”到基態(tài),，能量以電磁波形式在波導(dǎo)管中沿垂直面輻射傳遞給量子電池,，量子電池吸收之后被“充”到激發(fā)態(tài)。

這一過程突破了微觀系統(tǒng)相互作用的空間尺度,，量子充電器和量子電池的間距從10的-10次方米甚至能擴(kuò)大到10的-2次方米的厘米級,，還可產(chǎn)生有效的能量轉(zhuǎn)移。這是了不起的突破,！比之之前,，已經(jīng)是很大的宏觀距離?！昂帽仍趶棿采系膬蓚€小孩兒,，一個跳，另一個也會彈起,，這不奇怪,；奇怪的是，現(xiàn)在是將他們放入大海中,，還會發(fā)生這樣持續(xù)的關(guān)聯(lián),。”

過去普遍認(rèn)為,，通過環(huán)境這一第三媒介,，量子充電器和量子電池之間不可能產(chǎn)生能量交換，只會發(fā)生量子退相干,。而安鈞鴻他們的研究恰恰證明,，利用波導(dǎo)管中的真空電磁場誘導(dǎo)的量子退相干，恰恰可以實現(xiàn)免受老化影響的持續(xù)能量交換,，實現(xiàn)了近理想的充電,。

通過這一方案，有效地解決了量子電池的能量耗散和距離限制兩大問題,，為進(jìn)而推動量子電池的物理實現(xiàn)提供了理論支撐,。也是該團(tuán)隊繼2021年利用波導(dǎo)制備作為量子精密測量重要資源的自旋壓縮后的又一重要結(jié)果。

引發(fā)國外媒體關(guān)注

安鈞鴻他們的這項研究工作是自2023年春節(jié)期間開始的,，去年8月論文送審期間,，已受到國外媒體的關(guān)注,。英國科技新聞雜志《新科學(xué)家》在去年9月就進(jìn)行了報道。當(dāng)今年2月論文發(fā)表后,，《自然》雜志作“亮點研究”報道,。其后，國際科技新聞門戶網(wǎng)站“世界科技研究新聞信息網(wǎng)（Phys.org）”和美國相關(guān)知名技術(shù)和創(chuàng)新媒體,，也相繼對此項工作進(jìn)行了較為詳盡的報道,。國外媒體的關(guān)注出乎安鈞鴻及其合作者的預(yù)料。

為什么這項研究會這么“吸睛”,？安鈞鴻認(rèn)為是當(dāng)今出現(xiàn)的量子電池?zé)?。世界范圍?nèi)處于量子科技的快速發(fā)展時期，此前人們的關(guān)注點更多的是在信息,，比如量子計算機(jī)和量子通訊,。而現(xiàn)在，更多的關(guān)注點是在能量上,，期待以量子效應(yīng)產(chǎn)生一些變革性的儲能供能新技術(shù),。另外一點就是“類無線”充電，“我們的研究剛好滿足了人們對無線充電的期待,，既讓能量在波導(dǎo)管中定向傳遞,，提高了量子電池的效率；又不會造成電磁輻射,，綠色環(huán)保,。我和我的合作者們開玩笑說，我們的工作是做到外國人的‘心縫縫’里去了,?！?/p>

量子科技將引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革

“當(dāng)然,，沒有任何一個電池是由一個原子組成的,，要將其變成一個器件，仍需解決大量原子的集成問題,。這就是我們下一步的工作,。”安鈞鴻表示,，從“0”到“1”難,，這是從無到有；而從“1”到“100”,，至少已經(jīng)有了基礎(chǔ)原理,，相對實現(xiàn)起來容易一些。

“我們設(shè)想過很多方案實現(xiàn)集成,，其中一種是在導(dǎo)波裝置中,，將量子電池像串糖葫蘆一樣串起來,。”

“量子科技現(xiàn)在已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略,。國家為什么這么重視,？我想，是在謀長遠(yuǎn),。過去被‘卡脖子’,，將來怎么能還被‘卡’？”安鈞鴻說,，以量子通訊,、量子計算、量子精密測量,、量子模擬和量子材料為核心的量子科技可以在保障信息安全,、提高運算速度、提升測量精度等方面超越經(jīng)典技術(shù)的性能極限,，成為信息,、能源、安全和材料等領(lǐng)域重大技術(shù)突破的創(chuàng)新源泉,。它將對傳統(tǒng)技術(shù)體系進(jìn)行重構(gòu),，引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革。

蘭州日報社全媒體記者 何燕 實習(xí)生 劉弘婧   受訪者供圖

責(zé)任編輯：王旭偉